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El ambiente es un término amplio que incluye todas las
condiciones y factores externos (vivientes y no vivientes) que
le afectan a cualquier organismo o forma de vida.
La ecología analiza las interrelaciones de los organismos con
su medio ambiente físico y biótico. Es el estudio de
organismos en su hábitat. Intenta explicar dónde se
encuentran los organismos, cuántos hay y por qué. Busca
entender de que manera actúa un organismo sobre su
ambiente y cómo éste ambiente actúa sobre el organismo.
Es una ciencia de síntesisciencia de síntesis, pues para comprender la compleja
trama de relaciones que existen en un ecosistema toma
conocimiento de botánica, zoología, fisiología, genética y
otras disciplinas como la física y la geología.
ECOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTEECOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE
Los materiales biológicos (proteínas, lípidos, ácidos nucleicos,
etc.) se integran en la naturaleza en distintos niveles de
organización cada vez más complejos:
célula
individuo
especie
población
gremio
comunidad
NIVELES DE ORGANIZACIONNIVELES DE ORGANIZACION
Todos los seres vivos tienen una manera de vivir que depende de
su estructura, su fisiología y del ambiente en el que viven.
Su vida está ligada también a la vida de sus semejantes y a los
organismos que forman parte de su comunidad.
El Individuo u Organismo
unidad biológica funcional más pequeña y sencilla, compuesta
por un protoplasma organizado generalmente en un núcleo, en
donde se encuentra el material genético (ADN, ARN), y una
serie de orgánulos (mitocondrias, ribosomas, plastos, etc.) que
constituyen la maquinaria metabólica. Además tiene una
membrana plasmática (de lípidos y proteínas), reforzada en los
vegetales por una pared celular.
NIVELES DE ORGANIZACIONNIVELES DE ORGANIZACION
unidad funcional esencial de la ecología , , cada organismo tiene
un genotipo distinto que le confiere propiedades y
características distintas que definen el modo en que el
organismo responde al ambiente inanimado y/o interactúa con
el ambiente vivo que lo rodea. La Especie
La Célula
conjunto de individuos semejantes que transmiten este
parecido de generación en generación.
NIVELES DE ORGANIZACIONNIVELES DE ORGANIZACION
La Población
conjunto de organismos de la misma especie que conviven en
tiempo y espacio. Pueden intercambiar natural y
espontáneamente sus características genéticas, comparten un
pasado evolutivo común y constituyen una unidad evolutiva con
un destino común.
Los Gremios
. son grupos de poblaciones que explotan la misma clase de
recursos de una forma parecida, constituyendo una agrupación
funcional de poblaciones de especies distintas que interactúan
ecológicamente entre sí.
Las Comunidades
grupos de poblaciones de distintas especies que coexisten o
cohabitan en tiempo y espacio.
Hay 2 aspectos fundamentales en cualquier ecosistema:
LOS FACTORES AMBIENTALES ABIÓTICOS
LA ESTRUCTURA BIÓTICA
3 categorías de organismo:
Productores: elaboran su propio alimento. Principalmente plantas verdes. Son los que con la energía de la luz convierten las sustancias inorgánicas en orgánicas.
Consumidores: se alimentan de los productores o de otros consumidores.
Saprofitos y descomponedores: se alimentan de materia orgánica muerta.
Basada en las relaciones de alimentación
Principales:
Régimen de lluvias: monto y distribución anual y humedad del suelo. Temperatura: extremos de frio y calor, promedio. Luz Viento Nutrientes químicos PH (acidez) Salinidad Incendios
Agentes físicos y químicos.
FUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMASFUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMAS
Los ciclos de los nutrientes
Productores
Los productos y subproductos de cada grupo de organismo (productores,
consumidores, saprofitos y descomponedores) son la comida y los
nutrientes esenciales del otro.
ConsumidoresSaprófitos y
descomponedores
Autótofos: elaboran su propia materia orgánica
Heterótrofos: se alimentan de materia orgánica para obtener energía
Plantas verdes, bacterias
fotosintéticas y bacterias
quimiosintéticas
Primaros (herbívoros), Omnívoros (herbívoros o carnívoros), Secundarios (se alimentan de los
primarios), de Orden superior (se alimentan de otros carnívoros) y Parásitos (toman como huésped a otra
planta o animal)
Descomponedores (se alimentan de putrefacción) Saprófitos primarios (se alimentan de detritos) y
Saprófitos secundarios
La materia orgánica y el oxígeno que producen las plantas verdes son los alimentos y el oxigeno que necesitan los heterótrofos. Y el dióxido de carbono y otros desechos que éstos generan son exactamente los
nutrientes que necesitan las plantas.
FUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMASFUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMAS
EL MICROORGANISMO Y SU AMBIENTEEL MICROORGANISMO Y SU AMBIENTE El desarrollo de los MO en la naturaleza depende de los El desarrollo de los MO en la naturaleza depende de los
nutrientes disponibles y las condiciones fisicoquímicas de nutrientes disponibles y las condiciones fisicoquímicas de un un hábitat hábitat que definen un que definen un nichonicho en particular en particular
La teoría ecológica indica que por lo menos hay un nicho La teoría ecológica indica que por lo menos hay un nicho que es el principal, pero en la Tierra hay incontables que es el principal, pero en la Tierra hay incontables nichos que son los que definen la diversidad metabólica y nichos que son los que definen la diversidad metabólica y la biodiversidad microbiana actualla biodiversidad microbiana actual
En ecología microbiana se usa el término de En ecología microbiana se usa el término de microambientemicroambiente para definir el hábitat donde el MO vive y para definir el hábitat donde el MO vive y lleva a cabo su metabolismo, son heterogéneos y sus lleva a cabo su metabolismo, son heterogéneos y sus condiciones pueden cambiar muy deprisacondiciones pueden cambiar muy deprisa
Los Los hábitats hábitats naturales de los MO son naturales de los MO son diversosdiversos : habitan : habitan superficies de organismos superiores y algunos pueden superficies de organismos superiores y algunos pueden vivir incluso en el interior de plantas y animalesvivir incluso en el interior de plantas y animales
SUPERFICIES Y BIOFILMESSUPERFICIES Y BIOFILMES
Las superficies superficies son importantes como hábitats debido a que adsorben nutrientes
Las concentraciones de MO que crecen en una superficie suelen ser mayores que las cc de los que viven en el agua debido a fenómenos de adsorciónfenómenos de adsorción
La superficie de adherencia suele ser también un nutriente Estudios sobre colonización microbiana demuestran que
los MO sobre las superficies crecen envueltos en biofilmesbiofilmes Son microcoloniasmicrocolonias revestidas de células bacterianas
adheridasadheridas a una superficie por medio de polisacáridos adhesivos excretados por la propia célula
Los biofilmes atrapan nutrientes biofilmes atrapan nutrientes para el crecimiento de las poblaciones microbianas que contiene y en medios fluidos impiden el desprendimientos de las células que crecen sobre la superficie
SUPERFICIES Y BIOFILMESSUPERFICIES Y BIOFILMES
SUPERFICIES Y BIOFILMESSUPERFICIES Y BIOFILMES El desarrollo y acumulación de la biopelícula en la
pared de las tuberías es el resultado de al menos tres procesos:
Transporte y adsorción de células en las paredes de Transporte y adsorción de células en las paredes de las tuberíaslas tuberías
Reproducción celular y formación de subproductosReproducción celular y formación de subproductos Desprendimiento parcial de la biopelícula por efecto Desprendimiento parcial de la biopelícula por efecto
de la erosión y la pérdida de adherenciade la erosión y la pérdida de adherencia Durante la formación de la biopelícula las condiciones
hidrodinámicas del flujo regulan el trasporte de MO desde la masa de agua hacia la superficie
Las concentraciones de nutrientes, oxígeno y desinfectante disminuyen desde la zona de libre circulación de agua hacia el interior de la biopelícula
Las biopelículas pueden contener MO aerobios y anaerobios formando diferentes microambientes en función de su accesibilidad al sustrato y al oxígeno
NUTRICION-COOPERACION-COMPETICIONNUTRICION-COOPERACION-COMPETICION La velocidad de crecimiento disminuye en el ambiente La velocidad de crecimiento disminuye en el ambiente
natural debido a algunas características del medio:natural debido a algunas características del medio: La disponibilidad de nutrientes suele ser bajaLa disponibilidad de nutrientes suele ser baja La distribución de dichos nutrientes en el hábitat no es La distribución de dichos nutrientes en el hábitat no es
uniformeuniforme Los MO no se encuentran en cultivo axénico en los medios Los MO no se encuentran en cultivo axénico en los medios
naturales y se enfrentan a efectos competitivosnaturales y se enfrentan a efectos competitivos En algunos casos de En algunos casos de competicióncompetición microbiana un MO puede microbiana un MO puede
inhibirinhibir el crecimiento o el metabolismo de otros mediante el crecimiento o el metabolismo de otros mediante excreción de inhibidores específicos (ATB) o a la actividad excreción de inhibidores específicos (ATB) o a la actividad fisiológica (ácido de los azúcares). El fisiológica (ácido de los azúcares). El parasitismoparasitismo implica implica que uno de los MO vive a expensas del otro (huésped)que uno de los MO vive a expensas del otro (huésped)
Otra asociación es el Otra asociación es el comensalismocomensalismo donde un MO se donde un MO se beneficia (comensal) y el otro ni se beneficia ni se dañabeneficia (comensal) y el otro ni se beneficia ni se daña
Algunos MO Algunos MO colaborancolaboran para llevar a cabo una trasformación para llevar a cabo una trasformación determinada y se llama determinada y se llama sintrofiasintrofia como se ve en algunas como se ve en algunas bacterias anaeróbicasbacterias anaeróbicas
También se ve sintrofia en algunos MO con metabolismos También se ve sintrofia en algunos MO con metabolismos complementarios como las bacterias nitrificantes y complementarios como las bacterias nitrificantes y nitrosificantes que oxidan NHnitrosificantes que oxidan NH33 a NO a NO33
NUTRICION El metabolismo se refiere a todos los procesos
químicos que tiene lugar dentro de la célula El proceso por el cual la célula se construye a partir de
nutrientes simples se llama anabolismo o biosíntesis La biosíntesis es un proceso que requiere energía de
dos fuentes: luz y compuestos químicos
NUTRICION La masa celular está formada por sustancias con cuatro
tipos de átomos: C, O2, H2 y N2
El agua es el 90% del peso húmedo de la célula Los nutrientes se dividen en : Macronutrientes mayoritarios: C (50% del peso seco),
N2 (12%) Macronutrientes minoritarios: el P( ácidos nucleicos), el
S (aa, vitaminas), el K (enzimas), el Mg (ribosomas, membranas), el Ca (pared celular, endosporas), el Na (hábitat), el Fe (respiración)
Micronutrientes trazas: metales (enzimas) Factores de crecimiento: son compuestos orgánicos
como vitaminas (B1, B6, B12), aa, purinas y pirimidinas
CATEGORIAS NUTRICIONALES Se categorizan según en como obtiene el C y la energía: Los MO que usan luz se llaman fototrofos Los que usan productos químicos quimiotrofos Los que usan compuestos orgánicos son
quimiorganotrofos y los que usan inorgánicos quimiolitotrofos
Heterótrofos: la obtienen de compuestos orgánicos (hongos, protozoos y numerosas especies bacterianas)
Autótrofos: toma el C del CO2 y se clasifican en dos categorías: quimioautotrofos obtienen energía y C de por oxidación de moléculas inorgánicas como el sulfuro o el nitrito y los fotoautótrofos tiene pigmentos fotosintéticos que le permiten convertir energía lumínica en energía química
Hay otra subdivisión según la molécula que actúe como fuente de electrones: los litótrofos usan donadores inorgánicos como agua sulfhídrico o amonio, mientras que los que requieren de moléculas orgánicas son los órgano tróficos
NUTRICION y MEDIOS DE CULTIVO Se puede resumir la nutrición microbiana
examinando la composición química de un medio de cultivo
Se usan dos tipos de medios de cultivo: los definidos y los indefinidos o complejos
En los definidos se conoce la composición química exacta y llevan fuentes de C, de N, sales que suplen iones, estimuladores del crecimiento
Los complejos usan lisados de caseína, soja, carne, levadura u otro en forma de polvo y no se conoce la composición de los nutrientes , es el más fácil de preparar
Algunos medios llamados diferenciales tienen indicadores de color, sales biliares, colorantes y están destinados a facilitar la discriminación de MO de una mezcla por su propiedades diferenciales de crecimiento (ej: agar sangre, agar Mc Conkey)
NUTRICION y MEDIOS DE CULTIVO Un medio de enriquecimiento provee las condiciones
para el crecimiento selectivo de los microorganismos (particularmente heterótrofos exigentes) y son en general medios complejos (ej: adición de sangre, suero, extractos de tejidos animales o plantas)
Los medios selectivos: favorecen por su diseño el crecimiento específico de un MO particular o de un grupo de MO a partir de una población microbiana mixta (ej: el CO2 es necesario para autótrofos , cristal violeta inhibe a los GRAM (+))
Medios de mantenimiento: suelen ser distintos a los de crecimiento óptimo ya que el crecimiento rápido suele ocasionar muerte rápida de células
En cuanto al estado: medios líquidos, sólidos (agar al 1.5%) y semisólidos (agar al 0.7%)
Preservación: a bajas temperaturas para períodos cortos (4°C) , para largos (-70°C a -95°C) freezado o liofilizado (desecado que remueve el agua contenida por vacío)
METODOS EN ECOLOGIA MICROBIANAMETODOS EN ECOLOGIA MICROBIANA Aislamiento e identificación Aislamiento e identificación Medición de la actividad microbianaMedición de la actividad microbiana En los En los métodos de enriquecimientométodos de enriquecimiento hay que considerar hay que considerar
que en general la flora es mixta por tanto deben usarse que en general la flora es mixta por tanto deben usarse medios y condiciones selectivas. medios y condiciones selectivas.
Ejemplos: para seleccionar bacterias fijadoras de Ejemplos: para seleccionar bacterias fijadoras de nitrógeno(nitrógeno(AzobacterAzobacter) se usa un medio de cultivo sin ) se usa un medio de cultivo sin nitrógeno combinado, otro sería calentar una muestra para nitrógeno combinado, otro sería calentar una muestra para seleccionar las bacterias esporuladasseleccionar las bacterias esporuladas
La La columna de Winogradskycolumna de Winogradsky es un es un ecosistema anaerobio ecosistema anaerobio en miniaturaen miniatura en el cual se puede agregar un determinado en el cual se puede agregar un determinado compuesto del cual se quiere estudiar su biodegradabilidad y compuesto del cual se quiere estudiar su biodegradabilidad y seleccionar los MO que realizan esta trasformaciónseleccionar los MO que realizan esta trasformación
El objetivo de un enriquecimiento es luego obtener un El objetivo de un enriquecimiento es luego obtener un cultivo axénicocultivo axénico ya sea por la siembra por estría en un tubo ya sea por la siembra por estría en un tubo de agar o por diluciónde agar o por dilución
El más adoptado es la El más adoptado es la siembra por estría en placas de siembra por estría en placas de agaragar que permite obtener cultivo axénicos tanto de MO que permite obtener cultivo axénicos tanto de MO anaeróbicos como aeróbicos, el de dilución se aplica mas a anaeróbicos como aeróbicos, el de dilución se aplica mas a la purificación de determinados MOla purificación de determinados MO
COLUMNA DE WINOGRADSYCOLUMNA DE WINOGRADSY
Se desarrollan diferentes tipos de MO, las cianobacterias y algas en la parte superior de la columna de agua
En el lodo crecen bacterias reductoras de sulfato y como resultado de la formación de sulfuro se forman zonas coloreadas de rojo y verde en las capas más altas del lodo
Las zonas rojas son bacterias rojas del azufre en la capa superior y las verdes bacterias verdes del azufre por debajo de las rojas
En la interfase agua-lodo el agua es turbia y coloreada debido al crecimiento de bacterias verdes y rojas no del azufre
La gran ventaja de la columna es la fácil disponibilidad de inóculo para cultivos de enriquecimiento
MEDICIONES DE LA ACTIVIDAD MICROBIANAMEDICIONES DE LA ACTIVIDAD MICROBIANA
Isótopos radioactivosIsótopos radioactivos: son útiles para medir medir procesos procesos microbianos específicosmicrobianos específicos o cuando se busca información sobre la velocidad de reciclado de compuestosvelocidad de reciclado de compuestos o elementos químicos en la naturaleza
Ejemplos:1) metanogénesis (conversión de 14CO2 a CH4), 2) fotosíntesis (captación de 14CO2 por las células), 3) sulfatoreducción (reducción del SO4 a SH2), 4) organotrofia (glucosa a CO2)
MicroelectrodosMicroelectrodos: los ecólogos microbianos usan microelectrodos de cristal para estudiar la actividad de los actividad de los MO en sus microambientes MO en sus microambientes
Se usan en estudios de campo y los más conocidos son pH, O2, N2O y sulfhídrico
Se han usado para el estudio de la fotosíntesis y las trasformaciones llevadas a cabo en los tapetes microbianos que se desarrollan en las zonas costeras y las fuentes termales (comunidades estratificadas)
IDENTIFICACION Y CUANTIFICACIONIDENTIFICACION Y CUANTIFICACION
Los métodos de tinción con anticuerpos fluorescentescon anticuerpos fluorescentes sirven para identificar y enumerar los MO en forma directa del hábitat natural por examen microscópico: naranja de naranja de acridinaacridina que colorea DNA y RNA y permite el recuento total de bacterias en suelos y aguas
Sondas de ácidos nucleicosSondas de ácidos nucleicos: es un pequeño fragmento de DNA o RNA complementario en la secuencia de bases a la parte de un gen con el cual puede hibridarse
Para diferenciar MO ambientales se usan sondas de sondas de rRNA16SrRNA16S y también es posible diferenciar MO dentro de un mismo dominio filogenético por la gran biblioteca que se dispone en la actualidad
En las sondas filogenéticas se usan dos tipos de sistemas: 1) los isótopos radiactivoslos isótopos radiactivos (35S o 32P) se añaden a las células fijadas e inmovilizadas y el marcado se observa por autorradiografía,
2) colorantes fluorescentescolorantes fluorescentes que adhieren a la sonda y se observan por microscopía de inmunofluorescencia a diferentes longitudes de onda
TECNICAS MOLECULARESTECNICAS MOLECULARES
Métodos basados en RNA: pueden detectar rRNA o mRNA y son buenos debido a la gran cantidad de ribosomas presentes en las células vivas
Las sondas de rRNA son hibridadas sobre membranas cargadas con la fracción del RNA target dando información sobre la actividad de comunidades de MO o para clasificar MO indígenas en muestras ambientales. La ventaja de estas sondas es que se disponen de más de 15000 secuencias de RNA en las bases de datos públicas
Hibridación fluorescente in situ (FISH): Las sondas son marcadas con un compuesto fluorescente (reportero) e hibridadas con las células completas in situ y las células fluorescentes intactas son contadas por microscopía de epifluorescencia. Da información acerca de la actividad celular en muestras ambientales, nitrificación en barros activados, reducción de sulfatos en biofilms
Microchips: son grandes secuencias de DNA adheridas a un soporte sólido no poroso e hibridadas con las secuencias target marcadas con fluorocromos que se aislaron de muestras ambientales. Permiten monitorear la expresión del gen y sus funciones así como la caracterización de patógenos en el ambiente
REACCION DE LA POLIMERASA EN CADENAREACCION DE LA POLIMERASA EN CADENA
La reacción de la polimerasa en cadena polimerasa en cadena (PCR)(PCR) permite obtener clones de DNA o de manera indirecta por la producción de DNA complementario (cDNA)(cDNA) del RNA ribosomal llevado a cabo por la transcriptasa reversa (RT-PCR)
Por esta técnica es posible estudiar la biodiversidad de las comunidades o el estudio de los MO dentro de un mismo dominio filogenético
ETAPAS DE LA PCR
Simula la replicación del DNA in vitro y el proceso se divide en tres etapas
Desnaturalización del DNA: a altas temp en DNA se separa en dos hebras
Templado de los primers: cuando baja la temp el DNA target se templa con nucleótidos sintéticos de 18-28 nucleótidos complementarios a la sección de DNA a ser replicada
Amplificación: los primers son extendidos con la Taq DNA polimerasa enzima responsable de la réplica en las células. Luego de 30 ciclos (3 hs) el DNA target se amplifica y se acumula en forma exponencial
EVALUACION DE VIABILIDAD Y ACTIVIDAD MICROBIANA
CELULACELULA
POTENCIAL DE POTENCIAL DE MEMBRANAMEMBRANA
INTEGRIDAD INTEGRIDAD MEMBRANAMEMBRANA
CITOMETRIA CITOMETRIA DE FLUJODE FLUJO
INTEGRIDADINTEGRIDAD CELULARCELULAR
ACTIVIDAD ACTIVIDAD METABOLICAMETABOLICA
RECUENTORECUENTO VIABLESVIABLES
mRNA mRNA SINTESISSINTESIS
RESPIRACIONRESPIRACION ACIDOS NUCLEICOSACIDOS NUCLEICOS
mRNAmRNADNADNA rRNArRNA
RT-PCR RT-PCR
PCR TINCION FISHPCR TINCION FISH
HIBRIDIZACIONHIBRIDIZACION
HABITATS ACUATICOSHABITATS ACUATICOS
Varían en sus características fisicoquímicas y biológicas, los org fototróficos son los predominantes en los ambientes acuáticos, también las cianobacterias (aerobiosis), bacterias fotosintéticas (anaerobiosis) fitoplanctónicas y bénticas
Los productores primarios limitan la actividad biológica del ecosistema acuático (productividad), en mar abierto es baja mientras que en zonas costeras es alta siendo mayor en lagos y manantiales
Cadenas alimenticias: Productores zooplancton Invertebrados
primarios
pequeños bacterias
Invertebrados
grandes Peces grandes Peces
pequeños
HABITATS ACUATICOSHABITATS ACUATICOS Ejemplo de estratificación por zonas en un lago o laguna
y su organismos representativos
HABITATS ACUATICOSHABITATS ACUATICOS
Materia orgánica:Plantas, sustancias húmicas y detritus orgánicos de suelos
Bacterias Zooplancton
Materia orgánica no consumida en superficie FONDO
Anaerobiosis (metabolismo
respiratorio a fermentativo)
La mayoría de los organismos superiores necesitan O2 y mueren en anaerobiosis produciéndose compuestos odoríferos y tóxicos
HABITATS ACUATICOSHABITATS ACUATICOS En las zonas En las zonas óxicasóxicas predominan predominan
las las cianobacteriascianobacterias y las y las algasalgas y y en las en las anóxicas anóxicas las bacterias las bacterias fototróficas anoxigénicasfototróficas anoxigénicas
Las Las algasalgas que flotan forman el que flotan forman el fitoplanctonfitoplancton y las que se adhieren y las que se adhieren al fondo las al fondo las bénticasbénticas
Los Los org fototróficos org fototróficos usan energía usan energía que obtienen de la luz para la que obtienen de la luz para la producción de materia org y se producción de materia org y se llaman llaman productores primariosproductores primarios
La producción de O2 se lleva a La producción de O2 se lleva a cabo en las capas superficialescabo en las capas superficiales
En climas templados las masa de En climas templados las masa de agua permanece agua permanece estratificadaestratificada en en el verano con capas cálidas el verano con capas cálidas superiores (superiores (epilimnionepilimnion) y capas ) y capas inferiores frías y densas inferiores frías y densas ((hipolimnionhipolimnion) que en otoño ) que en otoño invierno pasan de anóxicas a invierno pasan de anóxicas a óxicasóxicas
HABITATS ACUATICOSHABITATS ACUATICOS
ALGASALGAS
BACTERIASBACTERIAS
NH NH 44++
PROTOZOOSPROTOZOOS
INGRESO DE MICROORGANISMOSINGRESO DE MICROORGANISMOS
O O 22
